基于DBSCAN算法的无线电干扰与温度的相关性研究

王斌

【摘要】随着无线通信技术的发展，很多应用技术竞争频谱资源。随着我国国民经济的快速发展，国内机场航线航班数量不断增加，民航无线电频率安全使用是保障飞行运输安全的基础，目前民航无线电频谱资源由国家统一分配授权，FCC调查显示无线频谱资源分配频段利用率較低。现有固定频谱分配策略不能满足频谱需求，目前对无线电干扰研究处于起步阶段，本文通过分析基于干扰温度限模型功率控制，介绍了DBSCAN聚类算法原理，研究了无线电干扰与温度的关系，为处理无线电干扰问题提供参考。

【关键词】DBSCA算法;无线电干扰;温度;相关性

中图分类号：TN929                         文献标识码：A                             DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.07.007

随着社会经济的发展，快速的民航交通成为人们出行的重要方式。民航业务得到快速发展，运输能力逐渐提高，航线网络不断拓展，各类民航无线电台数量持续增多，民航无线电设备相互干扰，如何建立合理的无线电干扰查处应急预案，保证民航无线电设备安全运行是无线电管理的重要课题。无线电干扰与系统内外电磁兼容等密切相关，交流线路无线电干扰随湿度升高减小。无线电干扰实验发现直流输电线路无线电干扰随温湿度变化。我国输电线路进行无电线干扰现场测试研究，相关单位对无线电干扰进行长期测试，得到与温度在春夏秋季呈负相关。交直流线路并行架设方面无线电干扰研究较少，本文通过建立自动化测量系统，分析无线电线路典型电位下与温度相关性。

1. 民航无线电干扰分析

无线通信对频谱资源需求加大，严重限制无线电技术的发展。频谱资源利用率较低，由于现有频谱资源分配方式存在缺陷。如各国频谱资源分配由政府管理部门负责，仅将频谱资源分为授权固定与开放频段，非授权频段承载大部分用户，一些授权频段长期处于空闲状态。美国联邦通讯委员会调查显示授权频谱利用率的15-85%，造成频谱资源浪费。认知无线电技术提供可行方案，动态感知周围频谱环境，利用空闲频谱提高利用率。

无线电波是电磁谱的一部分，是不用人造波导在空间传播的电磁波，位于无线电频谱中定位占据一定宽度，无线电波是波动电磁场。无线电监测是频谱管理的基础，主要作用是利用无线电技术对监测信号时空域宽带间歇信号等进行快速实时搜索测量，为频率指配下发，及时发现排除有害干扰提供可靠依据。无线电监测提供监测数据资料，为频谱指配频率规划提供闭环检查方法，频谱管理录用资料确定符合频谱管理程序规定技术标准，无线电管理工作围绕干扰主题开展，发现有害干扰通过测向迅速定位。无线电干扰是射频在9KHz-3000GHz频段内对有用信号造成损害无用电信号，可以对无线电通信所需接收信号产生影响。通常把无线电干扰分为允许与有害干扰。

无线电干扰按传播听方式分为传导与辐射干扰，根据干扰源性质包括自然与人为干扰。自然干扰为不可控太阳干扰等，集中于100MHz以下。人为干扰分为无线电设备与非无线电设备干扰，无线电设备分为同频与互调干扰等。无线电干扰查找步骤包括监听、观察与跟踪测向。民航无线电频率是国家无线电管理机构为民航通信导航等领域划分的无线电频率，民航使用频率包括190kHz-1750kHz，960MHz-1215MHz等。民航无线电专用频率传播方式为视距，传播中受到地形条件影响。民航无线电专用频率用于航向信标，指点信标等。

2. 基于干扰温度限模型功率控制

干扰温度为更好的量化管理干扰，给定无线通信系统干扰温度上限为固定，发射功率造成干扰不能使区域干扰温度高于固定门限。干扰温度定义式为，fc为关注频带中心频率Hz;k为玻尔兹曼常量1.38×10＼J/K;B为频谱带宽;PI（fc，B）为中心频谱为fc的平均干扰功率。FCC（美国联邦我通讯委员会）确定各区域干扰温度限，发射机利用频带需保证引入附加干扰不超过温度上限。

目前常用的干扰温度模型为基于认知无线用户讨论，由于部署主用户设备少未完全利用系统频谱。其他用户可采用空间复用方式。经典干扰温度限模型包含多个认知无线用户收发对，测得温度未超过干扰门限值保证主用户服务质量。无线网络功率控制较为成熟，研究通过增加信道空时复用率降低分组投递能耗。本文假设用户采用蜂窝接入技术，使得节点传输信号为噪声信号。主用户小区附近有1个认知用户小区，必须放置干扰功率检测器测量认知用户接入产生干扰能量。距离发射机L处功率值服从公式，Gr为接收天线增益;λ为载频波长。频谱共享达到最高系统效益要求次用户质量达到最优，接入不会影响主用户通信质量。

3. DBSCAN算法

DBSCAN是基于密度的聚类算法，大部分基于划分聚类算法不能有效发现任意形状的簇，由于大多通过计算对象间距实现聚类目的。研究人员提出基于密度的DBSCAN聚类算法，通过判断对象数据数目达到目的，在规定区域内数据对象数超过值表明满足算法要求。规定区域中每个簇数据对象含有1个数的点，基于密度聚类算法可进行异常点挖掘，DBSCAN是经典的基于密度算法。基本思想是给定数据对象，判断对象Eps邻域内数据对象个数。假设q是集合D中的核心对下定，p从q出发是直接密度可达。

DBSCAN聚类算法处理首先在数据集取对象p，p的Eps邻域内含有对象数目比MinPts多，新建聚类包含对象p。聚类中无新对象加入结束算法。DBSCAN算法可发现任意形状的簇，算法不需事先设定聚类数目，使用DBSCAN算法对数据聚类噪声为数据对象不在簇中。检测异常点时DBSCAN算法密度不规则数据效果不佳，参数选择不能适用于数据库各密度数据区域，使用DBSCAN算法聚类质量较差。Eps与MinPts参数需要人工输入，聚类结果准确率对用户参数选择有依赖性。DBSCAN法不需事先知道形成簇类数量，可发现任意形状簇类。对数据库中样本顺序不敏感，对簇类间边界样本根据优先探测到归属所有摆动。其缺点是不能反映数据集变化密度，样本密度不均匀聚类质量差。

DBSCAN聚类算法具有很好的识别分离噪声点及稳定点的能力，包括邻域半径r特定参数确定。密度阈值MinPts为某簇中最少样本个数，使用算法去噪满足公式Nε（P）={q|q∈P，dpq≦r，}≦MinPts归为簇。簇内样本紧密相连，获得最终所有聚类类别结果，使用算法要点包括核心对象与密度相连等。DBSCAN定义簇为密度可达关系到最大密度相连样本点集合。DBSCAN算法为找到密度相连对象最大集合。给定样本点p1，p2…pn，q=pn。q密度可达则p，q密度相联。假设半径E=3，点m的邻域中有点{m，q，p，m1，m2}，点o的E邻域中有点{o，p，s}，核心对象有p，m，o，s，点m从点p直接密度可达。

4. 基于DBSCAN算法的无线电干扰与温度关系分析

目前无线电恒干扰监测采用单台设备多次测量，测点分布较多时，测量数据无法表现环境因素影响。测量路径较长时需布置多个设备。改进单个参数测量监测方式，提出自动化测量系统采用蓄电池供电，与无线电干扰数据采集至数据管理平台。

对比同时段人工与自动测量方式，人工与自动测量数据取平均值一致可验证系统可靠性。通过自动化测量系统积累测量得到大量数据，对数据分析发现测量值有部分离群值。算法包括基于密度方法等，采用与密度算法DBSCAN为无线电干扰与温度离群值剔除法。DBSCAN是在有干扰处根据密度聚类算法，采用密度为参考量，距离与个体数量是重要参数。MinPts为距离内个体数量临界值。DBSCAN算法给出样本集合D（x1，x2，…，xn）定义，ε-邻域为D中距离Xi不超过ε样本子集。ε邻域中个体数量不小于MinPts（|Nε（Xi）≧MinPts），各点由Xi核心点密度直达，Pm满足P1=Xi，Pt+1由Pt密度直达。

图1中MinPts=5，深色非核心点由核心点密度直达。以无线电干扰数据进行离群值处理。浅色核心点有1954个，非核心点有338个。不满足密度相连样本点61个。核心点样本无线电干扰范围43.18-54.22dB。不满足密度相连样本点温度范围为22.5-35.3℃。通过DBSAN算法可剔除实测数据离群点，为研究独立点位0.5MHz无线电干扰与温度相关性，将干扰走廊断面分为交直流测，对测量路径测量点位数据剔除数据样本离群值。对采集数据按点位统计分析，将温度划分为0℃以下，15-30℃，中值为统计数据中位数，偏度是数据偏斜方向。交流线路无线电干扰水平高于直流线路侧。直流测温度与无线电干扰关系不明显。中间过渡区域无线电干扰较低，两点位数据差异小。无线电干扰随着温度增高，80%分位数不超过敏感区域限值的55dB，距离导线下方测点近。图2为无线电干扰与温度关系图。

5. 民航无线电干扰处理

民航通信系统有专用频率，随着我国国民经济的快速发展，目前用于民航通信系统使用无线电设备种类众多，机载通信系统按功能分为导航与雷达系统，机载通信系统分为导航与通信系统。以往航天系统中采用ILS系统中利用指点信标为飞机提供距离信息，当下英语系统更多采用DME测距方式，航天通信系统采用DEM/N系统精度为370m，不能达到实际使用要求，通常采用DME/P进行基准点范围为30m，民航无线电频率主要用于航向信标，指点信标等。

目前我国民航无线电干扰类型包括非法设置无线电台，设置不合理的大功率无线电台，高压输电线路使用中接地不良产生辐射干扰等。无线电技术发展在现代民航业发展中起到重要作用，地面接收设备数字化保证飞机飞行安全同时使民航运输安全依赖于无线电通信设备，日常监测分为信号采集分析等，日常监测工作中要注意不同业务频段有不同调制方式，测量设备扫描步进，分辨率贷款等要根据实际情况确定，对连续信号测试方法有很大差异，因测量接收机等仪器设备不同，操作人员监测中需合理设置仪器设备测量宽带等参数。定位民航无线电干扰应注意分析信号传输路径，使用移动监测车查找信号突然变动可证明车辆处于信号直射路径，监测人员要关注附近地形地貌，干扰查找中测向天线指向干扰源信号变大可确定干扰来源方向。

民航无线电干扰测试需要通过专用无线电监测设备等进行测试。要根据不同干扰类型处理无线电干扰，调配广播电台产生互调干扰包括发射机与接收机互调，可以通过加大发射机发射天线垂直距离，在发射机输出端接入滤波器，采用改变产生干扰发射机频率等方法减少发射机互调。在接收机前端加入衰减器，在高放混频器端采用结型场效应管减少接收機互调干扰。验证抑制有线电信号泄露产生干扰方法包括降低传输信号电平，调整有线电视频道，合理设计网络降低信号传输电平;日产生电磁泄露设备安装在屏蔽箱内，提高线路屏蔽率，安装接头设备进行防水处理。建立民航无线电监测系统可实现对无线电频率实时监测，对收集信号信息存储分析判断干扰源。

6. 结语

本文分析基于干扰温度限模型功率控制，介绍DBSCAN聚类算法原理，研究无线电干扰与温度关系。通过建立测量系统积累无线电干扰数据，通过对交直流并线路交直流区数据分析，无线电干扰高于直流区域值约2.5dB;直流区域无线电干扰与温度相关性不明显，交流区域无线电干扰最大值为54.91dB不超过敏感区阈限值。研究为无线电干扰特性分析提供数据支持。

参考文献：

[1]袁方，郭江，张广洲，等.基于DBSCAN算法处理的无线电干扰和温度相关性分析[J].电测与仪表，2020，57（3）：5.

[2]刘曦元.基于密度的快速DBSCAN算法在无线电自动定位中的应用[J].数字通信世界，2020（5）：3.

[3]韩梅.基于改进DBSCAN的复杂工业过程建模数据异常点检测研究[D].天津工业大学，2016.

[4]彭志平，赵俊峰，尹兆林，等.一种基于DBSCAN的裂解炉炉管外表面温度计量方法：，CN110398288A[P].2019.

[5]陈俊昌，赵官宝.基于Hadoop的CTK聚类算法在无线电监测频谱数据分析中的应用[J].中国无线电，2020（8）：4.

[6]张顺超.基于聚类算法的认知无线电频谱感知研究[D].广东工业大学，2019.

[7]王旭东，段海洋，姚曼.一种采用空间密度聚类DBSCAN预报连铸结晶器漏钢的方法：，CN108436050A[P].2018.

[8]许达.基于频谱数据的时频域预测算法研究[D].电子科技大学，2019.